CN108256196A - 一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，包括在变压器工作于非饱和区时，采用开路试验和短路试验确定其参数；在变压器铁芯工作于饱和区时，进行深度饱和试验，以交直流混合电源激励铁芯得到饱和状态，测试不同饱和程度下的端口视在增量电感；根据π模型电路结构计算两个励磁支路的饱和电感，再转换为励磁曲线数据，以饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程；根据以上数据，建立考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型。本发明建立的考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型，能够为EMTP类电磁暂态软件提供基础的变压器模型，提高其对变压器深度饱和物理现象的模拟能力。

Description

一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型 获取方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进模型获取方法。

背景技术

T、Γ和π形等效电路(简称Γ、T、π模型)是模拟单相双绕组变压器的经典模型且已被广泛应用。T模型和Γ模型均能够有效分析变压器稳态和部分低频暂态过程。但T模型的问题在于将漏感分成了两部分，从而失去了物理意义；Γ模型克服了该缺点，但其认为变压器铁芯在深度饱和时的饱和程度一致，这与实际情况不符，且单相变压器Γ模型中励磁支路可以连接在不同端口，若连接端口选择错误，将会显著增大模型误差；π模型的各参数与变压器的拓扑结构直接对应，在研究一些变压器暂态现象(尤其是深度饱和特性)时，π模型精度更高。即当变压器铁芯不饱和或轻微饱和时，三种模型的仿真结果差异不大，而一旦铁芯出现深度饱和，π模型因其合理的物理意义较T模型和Γ模型更加准确。

变压器在过电压、暂态冲击或直流偏磁等影响下，铁芯可能进入饱和甚至深度饱和状态，但经典π模型的参数均通过变压器开路和短路试验测得，未考虑铁芯饱和时模型参数的变化，因此对励磁涌流、铁磁谐振、地磁感应电流、直流偏磁等涉及铁芯饱和的电磁暂态现象的模拟存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，包括以下步骤：

S1：在变压器工作于非饱和区时，采用开路试验和短路试验确定其参数；

S2：在变压器铁芯工作于饱和区时，进行深度饱和试验，以交直流混合电源激励铁芯进入饱和状态，测试不同饱和程度下的端口视在增量电感L₁、L₂；

根据π模型电路结构计算两个励磁支路的饱和电感L_{m1_s}、L_{m2_s}，再转换为励磁曲线数据，通过多次滚动测量得到整条饱和段的励磁曲线数据，以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程；

S3：根据以上数据，建立考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型。

进一步，所述由开路试验计算非饱和区励磁参数的具体方法为：

根据额定电压下的电压、电流波形及数据，计算励磁电阻R_m1、R_m2；逐渐增加空载电压，进行多组开路试验，采用梯形积分法近似得到铁芯的基本磁化曲线(ψ-i)，计算公式如式(1)所示，以此描述励磁电感L_m1、L_m2在非饱和区的特性。并将励磁电阻平均分配到两个励磁支路上；

进一步，所述的空载电压为0.1～1.1p.u.。

进一步，所述的短路试验的具体方法为：

根据额定电流下的电压、电流波形及数据，计算漏感和绕组电阻，并依据绕组直流电阻将绕组电阻分配到π模型两个励磁支路上；

所述的依据绕组直流电阻将绕组电阻分配到π模型两个励磁支路上的分配方法为：

其中，R_dc1和R_dc2'分别为变压器一、二次侧绕组直流电阻(归算到一次侧)；R_s为绕阻电阻，；R_s1和R_s2'分别为改进π模型一、二次侧绕组电阻(归算到一次侧)。

进一步，所述的以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程的转化方法为：

i_s1(k)+i_s2(k)＝i_s(k) (7)

式中：k＝1，2,3，……；i_s1(k)、i_s2(k)分别为铁芯不同饱和程度下，一、二次侧励磁支路的饱和电流，单位A；ψ_s1(k)、ψ_s2(k)为分别为铁芯不同饱和程度下，一、二次侧励磁支路的的磁链，单位Wb；i_s(k)为总饱和电流，单位A；L_S为漏感，单位H。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明建立的考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型，能够为EMTP类电磁暂态软件提供基础的变压器模型，提高其对变压器深度饱和物理现象的模拟能力。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为改进π模型的电路图；

图2为改进π模型参数测量和计算过程；

图3为实施例1分别以变压器一、二次侧作激励端时的励磁涌流仿真波形，其中a为一次侧，b为二次侧；

图4为实施例1励磁涌流试验电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，包括以下步骤：

S1：在变压器工作于非饱和区时，采用开路试验和短路试验确定其参数；

S2：在变压器铁芯工作于饱和区时，进行深度饱和试验，以交直流混合电源激励铁芯得到饱和状态，测试不同饱和程度下的端口视在增量电感L₁、L₂；

根据π模型电路结构计算两个励磁支路的饱和电感L_{m1_s}、L_{m2_s}，再转换为励磁曲线数据，通过多次滚动测量得到整条饱和段的励磁曲线数据，以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程；

S3：根据以上数据，建立考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型。

所述由开路试验计算非饱和区励磁参数的具体方法为：

根据额定电压下的电压、电流波形及数据，计算励磁电阻R_m1、R_m2；逐渐增加空载电压，进行多组开路试验，采用梯形积分法近似得到铁芯的基本磁化曲线(ψ-i)，计算公式如式(1)所示，以此描述励磁电感L_m1、L_m2在非饱和区的特性。并将励磁电阻平均分配到两个励磁支路上；

所述的空载电压为0.1～1.1p.u.。

所述的短路试验的具体方法为：

根据额定电流下的电压、电流波形及数据，计算漏感和绕组电阻，并依据绕组直流电阻将绕组电阻分配到π模型两个励磁支路上；

所述的依据绕组直流电阻将绕组电阻分配到π模型两个励磁支路上的分配方法为：

其中，R_dc1和R_dc2'分别为变压器一、二次侧绕组直流电阻(归算到一次侧)；R_s为绕阻电阻，；R_s1和R_s2'分别为改进π模型一、二次侧绕组电阻(归算到一次侧)。

进一步，所述的以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程的转化方法为：

i_s1(k)+i_s2(k)＝i_s(k) (7)

式中：k＝1，2,3，……；i_s1(k)、i_s2(k)分别为铁芯不同饱和程度下，一、二次侧励磁支路的饱和电流，ψ_s1(k)、ψ_s2(k)为分别为铁芯不同饱和程度下，一、二次侧励磁支路的的磁链，i_s(k)为总饱和电流，L_S为漏感。

下面以一具体实施方式对本发明的考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型进行说明。具本地，

选取了一台额定电压U＝11V，额定电流I＝1A，匝数比为1:1的单相双绕组试验变压器，根据以上方法建立考虑铁芯深度饱和特性的改进π模型。具体步骤为：

S1：在变压器工作于非饱和区时，采用开路试验和短路试验确定其参数。

其中，开路试验，获得励磁电阻R_m1＝R_m2＝194.86Ω，基本磁化曲线(ψ-i)数据如表1。

表1试验变压器的基本磁化曲线数据点

短路试验：获得漏感L_s＝0.084mH，绕组电阻R_s＝0.174mΩ。由试验变压器一、二次侧绕组直流电阻R_dc1＝81.39mΩ，R_dc2＝94.15mΩ，计算得到改进π模型一、二次侧绕组电阻分别为：R_s1＝0.081Ω，R_s2＝0.093Ω。

S2：在变压器铁芯工作于饱和区时，进行深度饱和试验，以交直流混合电源激励铁芯得到饱和状态，测试不同饱和程度下的端口视在增量电感L₁、L₂；

根据π模型电路结构计算两个励磁支路的饱和电感L_{m1_s}、L_{m2_s}，再转换为励磁曲线数据，通过多次滚动测量得到整条饱和段的励磁曲线数据，以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程。

深度饱和试验：获得三个不同饱和点的磁链和电流(描述了铁心从开始饱和到深度饱和的渐变过程)，数据如表2

表2试验变压器三个不同饱和程度点的参数

S3：根据以上数据，在ATP-EMTP中搭建改进π模型电路，进行励磁涌流仿真，分别以一、二次侧作为激励端，得到开关0相位闭合时的励磁涌流波形(图4)，第一峰值为15.6A和14.9A。

在实验室中搭建励磁涌流试验电路，得到一二次侧励磁涌流波形，第一峰值为16.2A和14.8A，则改进π模型的误差分别为-3.7％和0.7％，满足工程误差，验证了该模型的合理性和准确性。表明该模型对以励磁涌流为代表的变压器低频电磁暂态过程具有较高的模拟精度，且能够为EMTP类电磁暂态软件提供基础的变压器模型。

本发明建立的考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型，能够为EMTP类电磁暂态软件提供基础的变压器模型，提高其对变压器深度饱和物理现象的模拟能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在变压器工作于非饱和区时，采用开路试验和短路试验确定其参数；

S2：在变压器铁芯工作于饱和区时，进行深度饱和试验，以交直流混合电源激励铁芯进入饱和状态，测试不同饱和程度下的端口视在增量电感L₁、L₂；

根据π模型电路结构计算两个励磁支路的饱和电感L_{m1_s}、L_{m2_s}，再转换为励磁曲线数据，通过多次滚动测量得到整条饱和段的励磁曲线数据，以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程；

S3：根据以上数据，建立考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型。

2.根据权利要求1所述的一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，其特征在于：由开路试验计算非饱和区励磁参数的具体方法为：

根据额定电压下的电压、电流波形及数据，计算励磁电阻R_m1、R_m2；逐渐增加空载电压，进行多组开路试验，采用梯形积分法近似得到铁芯的基本磁化曲线(ψ-i)，计算公式如式(1)所示，以此描述励磁电感L_m1、L_m2在非饱和区的特性，并将励磁电阻平均分配到两个励磁支路上；

式中，ψ为磁链，单位Wb；u为端口电压，单位V；△t为时间步长，单位s。

3.根据权利要求2所述的一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，其特征在于：所述的空载电压为0.1～1.1p.u.。

4.根据权利要求1所述的一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，其特征在于：所述的短路试验的具体方法为：

根据额定电流下的电压、电流波形及数据，计算漏感和绕组电阻，并依据绕组直流电阻将绕组电阻分配到π模型两个励磁支路上；

所述的依据绕组直流电阻将绕组电阻分配到π模型两个励磁支路上的分配方法为：

其中，R_dc1和R_dc2'分别为变压器一、二次侧绕组直流电阻，单位Ω；R_s为绕阻电阻，单位Ω；R_s1和R_s2'分别为改进π模型一、二次侧绕组电阻，单位Ω。

5.根据权利要求1所述的一种考虑铁芯深度饱和特性的单相双绕组变压器改进π模型获取方法，其特征在于：所述的以整条饱和段的励磁曲线数据描述铁芯从开始饱和到深度饱和的渐变过程的转化方法为：

i_s1(k)+i_s2(k)＝i_s(k) (7)

式中：k＝1，2,3，……；i_s1(k)、i_s2(k)分别为铁芯不同饱和程度下，一、二次侧励磁支路的饱和电流，单位A；ψ_s1(k)、ψ_s2(k)为分别为铁芯不同饱和程度下，一、二次侧励磁支路的的磁链，单位Wb；i_s(k)为总饱和电流，单位A；L_S为漏感，单位H。